史丹福首次即時睇到「聲音量子跳躍」：一粒聲子突然消失

平時聽到一件物件振動慢慢靜落嚟，我哋會直覺覺得能量係一路平滑流失。但去到量子尺度，情況可以係「一格一格」：能量只可以處於特定水平，轉變時會突然跳去另一格。

史丹福大學物理學家而家首次即時直接睇到呢種現象發生喺機械振動上：一粒聲子由「有一個聲音量子」突然變成「零個」，而唔係好似普通振動咁連續淡出。校方形容，今次係首次在實時中觀測到單粒聲子作出呢類量子跳躍。33

聲子係乜？今次真正睇到咩？

聲子（phonon）可以理解為振動能量的一份量子，角色有少少似光的量子——光子（photon）。聲子概念早喺20世紀初提出；史丹福亦曾經研發出可數到單粒聲子的「量子咪高峰」。21

不過，今次突破唔只係知道機械系統的能量係量子化。研究人員係一路追住同一粒聲子，直到佢離開共振器，並辨認到由一粒變零粒的離散轉變。較早的實驗已提供機械能量量子化的證據，但今次能夠在聲子存活期間反覆量度，直接記錄轉變發生的一刻。33

晶片上面嘅「量子咪高峰」點樣運作？

裝置核心係一個晶片級的鈮酸鋰機械共振器，可以當佢係極微型音叉：佢會儲存振動能量，但喺呢個量子狀態下，能量只可以有特定數目的聲子。

共振器同一個超導量子位元（qubit）相距約75納米。由於兩者耦合得好近，量子位元的反應會隨共振器有冇聲子而改變。團隊唔係直接吸收粒聲子去「讀數」，而係反覆量度量子位元，再由其訊號推斷共振器內的聲子狀態。33

呢個設計係關鍵。直接量度量子系統，往往會干擾甚至摧毀被量度的脆弱狀態；而今次的間接讀取方法，令研究人員可以喺一粒聲子的生命期內收集數百次讀數，同時繼續監察仍然存在的機械量子狀態。33

2.1毫秒，點解已經夠長？

呢粒單聲子大約維持咗2.1毫秒。對日常生活而言，呢段時間短到幾乎感覺唔到；但對微型機械共振器，已經係相當長的衰減時間，足夠讓研究團隊做數百次探測，然後睇住聲子消失。

史丹福把呢種表現比喻成：一個普通、宏觀的音叉可以響足幾個鐘。33 正因為有呢個量度窗口，團隊先可以分辨到真正的突變，而唔係只喺大量實驗的平均結果中見到能量減少。換言之，佢哋追蹤的是一個個別事件：系統由一聲子狀態切換到零聲子狀態。33

放返入百幾年量子研究的脈絡

量子理論早已指出，能量交換並非無限細分，而係按離散單位發生。科學家過去已在不同系統觀察到量子跳躍，例如被困住的離子，以及以光子為主的光學系統。

但機械振動特別難搞。聲子涉及好多原子的集體振動，量度本身可能帶來加熱或阻尼，令本來脆弱的量子狀態失真甚至消失。33

今次結果因此將「直接觀察量子跳躍」的範圍推進到機械聲音系統，亦接續了量子聲學的既有工作：利用超導電路同納米機械元件去產生、操控同計數單粒聲子。2021

對量子科技有咩意義？

短期而言，呢個係量度技術上的里程碑，唔係一部已完成的量子產品。若果裝置可以不斷監察聲子數目，而又唔會即刻抹走狀態，將來便有機會及早發現原本儲存的機械量子已經遺失。

潛在方向包括：

• 量子錯誤偵測： 實時發現聲子流失，可為量子錯誤修正提供重要訊號；不過，要做到容錯量子運算，仍要把這種量度整合進更大型的系統架構。
• 量子聲學硬件： 小型、壽命較長的機械共振器，理論上可成為量子感測、量子記憶或資訊處理元件。不過，距離實際應用，控制精度、耦合方式同錯誤管理都仲要再進步。33

加州理工學院與史丹福相關團隊亦研究納米機電系統（NEMS），希望令元件透過材料與結構本身展示量子特性，長遠或可做成更緊湊的量子感測器或量子位元，而毋須外加超導量子位元。2 呢條研究路線同今次單聲子跳躍實驗屬互補關係，唔應視為今次實驗已經證實的應用能力。

重點一句講晒

今次唔係令聲音「變得更量子」，而係令科學家終於可以隨時間追蹤一粒機械聲音量子。透過把長壽命鈮酸鋰共振器接近超導量子位元，並重複讀取量子位元，團隊直接睇到一粒聲子作出由一到零的離散能量轉變。33

對量子聲學而言，這證明了機械量子狀態可以被監察得足夠仔細；未來或有助研究、甚至處理限制量子機器表現的各類錯誤。